《系统工程 第6版》 课件 第3章　系统模型与模型化

1第三章

系统模型与模型化《系统工程》课程建设团队2024年6月2第三章系统模型与模型化第一节概述第二节

系统结构模型化技术第三节

主成分分析及聚类分析第四节

状态空间模型第五节

基于模型的系统工程3第一节概述一、模型及模型化

模型有三个特征：

1.它是现实世界部分的抽象或模仿；

2.它是由那些与分析的问题有关的因素构成；

3.它表明了有关因素间的相互关系；模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法。4模型化的本质、作用及地位

1.本质：利用模型与原型之间某方面的相思关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。

2.作用：①模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、形式化的。②模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。③利用模型可以进行“思想”试验。

3.地位：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。第一节概述5实验、分析实际系统结论模型现实意义模型化解释比较图系统模型（化）的作用与地位第一节概述6二、模型的分类模型类比仿真形象符号概念图像物理数学图示字句描述思维图模型分类第一节概述7三、构造模型的一般原则和基本步骤

1、原则：（1）建立方框图；（2）考虑信息相关性；

（3）考虑准确性；（4）考虑结集性

2、步骤：（1）明确建模的目的和要求；（2）对系统进行一般语言描述；（3）弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系）；（4）确定模型结构；（5）估计模型参数；（6）实验研究；（7）必要修改第一节概述8四、模型化的基本方法

1.分析法

2.实验法

3.综合法

4.老手法

5.辩证法第一节概述9第一节概述五、模型的简化和求解简化：（1）减少变量，减去次要变量；（2）改变变量性质；（3）合并变量（集结）；（4）改变函数关系；（5）改变约束条件；求解：“硬”计算方法（列生成，割平面，切割-分解等方法）；“软”计算方法（遗传算法，神经网络，模拟退火算法，禁忌搜索算法等）10一、系统结构模型化基础

（一）结构分析的概念和意义

结构→结构模型→结构模型化→结构分析

结构分析是一个实现系统结构模型化并加以解释的过程。结构分析是系统分析的重要内容，是系统优化分析、设计与管理的基础第二节系统结构模型化技术11集合有向图（节点与有向弧）矩阵（领接矩阵、可达矩阵、缩减矩阵、骨架矩阵等）

（二）系统结构的基本表达方式

第二节系统结构模型化技术第二节系统结构模型化技术（三）常用系统结构模型化技术关联树（如问题树、目标树、决策树）法解释结构模型化（ISM）方法系统动力学（SD）结构模型化方法13ISM基本工作原理

第二节系统结构模型化技术第二节系统结构模型化技术二、建立递阶结构模型的规范方法

1、区域划分2、级位划分3、提取骨架矩阵4、绘制多级递阶有向图15三、建立递阶结构模型的实用方法设定问题、形成意识模型找出影响要素要素关系分析（关系图）建立可达矩阵(M)和缩减矩阵（M/）矩阵层次化处理(ML/)绘制多级递阶有向图建立解释结构模型分析报告比较/F学习第二节系统结构模型化技术16第二节系统结构模型化技术

ISM实用化方法的核心是对系统要素间的关系（尤其是因果关系）进行层次化处理，最终形成具有多级递阶关系和解释功能的结构模型（图）

第1步：

找出影响系统问题的主要因素，通过方格图判断要素间的直接（相邻）影响关系；

第2步：

考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间关系的可达矩阵（该类矩阵属反映逻辑关系的布尔矩阵）；

第3步：

考虑要素间可能存在的强连接（相互影响）关系，仅保留其中的代表要素，形成可达矩阵的缩减矩阵；17

第4步：

缩减矩阵的层次化处理，分为两步：（1）按照矩阵每一行“1”的个数的少与多，从前到后重新排列矩阵，此矩阵应为严格的下三角矩阵；（2）从矩阵的左上到右下依次找出最大单位矩阵，逐步形成不同层次的要素集合。

第5步：作出多级递阶有向图。作图过程为：

（1）按照每个最大单位子矩阵框定的要素，将各要素按层次分布；（2）将第3步被缩减掉的要素随其代表要素同级补入，并标明其间的相互作用关系；（3）用从下到上的有向弧来显示逐级要素间的关系；（4）补充必要的越级关系。

第6步：经直接转换，建立解释结构模型。

第二节系统结构模型化技术ISM实用化方法举例：影响组织执行力因素分析

要素关系分析图VVV1、组织使命VAVAVV2、组织结构及流程VVXAV3、组织文化AA4、工作计划VVV5、领导能力VA6、组织成员素质VAV7、组织的激励和约束A8、组织内部的有效控制V9、组织的制度与规范10、组织成员间的协调与配合第二节系统结构模型化技术

第二节系统结构模型化技术

1111111111111111111111111111111111111111111111111234567891012345678910

可达

矩阵【空格处为0，下同】第二节系统结构模型化技术11111111111111111111111111111111111111234578910（6）（5）（4）（1）（7）（5）（1）（7）（1）

234578910

缩减

矩阵481032715948103271591

1111111111111

1111111

111111

1111

111

1

1

1第二节系统结构模型化技术具有层次结构的缩减矩阵410836271594-工作计划8-有效控制10-配合协调1-组织定位5-领导能力9-制度规范第二节系统结构模型化技术多级递阶有向图第二节系统结构模型化技术工作计划有效控制协调配合组织文化成员素质结构及流程激励和约束制度规范领导能力组织使命组织执行力因素解释结构模型结果分析：通过上述分析可以看出，一个组织执行力的提高，从长期性和根本上来说，取决于这个组织的使命或任务（因素1）、制度与规范的建设能力（9）和领导者的素质、修养及能力（5）；从短期来看，与工作计划（4）、有效控制（8）和组织成员间的相互配合与协调能力（10）等要素直接相关，而组织文化（3）与成员素质（责任心等）（6）则直接影响以上三个要素（4、8、10）；组织结构及工作流程（2）和以激励和约束为主要内容的机制建设（7）既承上启下，又具有一定的基础性作用。据此可提出根据组织使命任务，加强组织文化建设，提高组织成员素质，优化结构与流程，加强机制建设，全面提高组织执行力的整体思路。第二节系统结构模型化技术25第三节主成分分析及聚类分析一、主成分分析

主成分分析也称主分量分析或矩阵数量分析。它通过变量变换的方法把相关变量变为若干不相干的综合指标变量。

主成分分析将众多的线性相关指标转换为少数线性无关指标。在研究多变量问题时，课切断相关干扰，找出主导因素，做出更准确的估量。26第三节主成分分析及聚类分析二、聚类分析

聚类分析是按照事物属性的内在联系规律和一定的要求，对事物进行分类研究的方法。

聚类分析可将样本或变量按亲疏的程度进行分类，主要用距离和相似系数来衡量亲疏程度。根据亲疏程度定量对数据进行分组，根据分类函数将差异最小的两类归为一组，组与组之间再按分类函数进一步分类，直到所有样本归为一类为止。27第四节状态空间模型

研究动态系统的行为，有两种既有联系也有区别的方法：输入－输出法和状态变量法。输入－输出法又称端部法，它只研究系统的端部特性，而不研究系统的内部结构。系统的特性用传递函数来表示。28

状态变量法在60年代才得到推广使用。它仍然是处理系统的输入和输出间的关系。但是在这些关系中，还附加另一组变量，称为状态变量。在物理系统中，典型的变量有：位置（与势能有关）、速度（与动能有关）、电容上的电压（与它们存储的电能有关）、电感上的电流（与它们存储的磁能有关）、温度（与热能有关）。状态变量法可用于线性的或非线性的、时变的或时不变的及多输入、多输出的系统，并且更适合仿真和使用计算机的目的，故得到广泛应用。

第四节状态空间模型第四节状态空间模型一、系统的状态和状态变量(1)状态。状态是指为完全描述t≥t0时系统行为所需变量的最小集合,该集合构成状态空间。完全描述的条件包括:①已知系统t≥t0时的输入;②已知t0时刻集合中所有变量的值(初始条件)。(2)状态变量。上述最小变量集合中的每个变量称为状态变量。第四节状态空间模型例3-4一般力学装置由三种基本元件组成,即质量块、弹簧和阻尼器,如图3-4所示。根据元件的受力和力的平衡法则可以建立状态方程。根据力的平衡法则有第四节状态空间模型二、微分方程与连续变量的状态空间表达式第四节状态空间模型三、差分方程与离散变量的状态空间表达式第四节状态空间模型第四节状态空间模型四、状态方程的应用

（一）宏观经济模型第四节状态空间模型第四节状态空间模型(二)人口模型第四节状态空间模型第五节

基于模型的系统工程

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1、数智化时代的企业发展新特征新经济形态：共享经济（分时租赁）：价值共享、剩余能力/资源共享、供需匹配。服务经济：价值扩展、能力延伸、服务实现。军民融合：价值互补、交互优化、独立增强。平台经济：价值重构、多边连接、生态共建。阿米巴经营：价值分拆、资源共享与分离、独立与集中平衡、全能型与功能型区分。新组织形态：企业功能平台化：从层次管控到资源配置；运营决策分散化：从集中控制到分布式控制；多要素/能力协同化：从职能分割到基于统一架构的协同网络。使能基础软件化：从物理和人工到软件系统和平台。组织形态的变化，必然涉及企业组织结构、运营流程以及运行逻辑的变化。一、数智化时代IE学科发展与企业数字化转型要求迅速发展的“四新”经济形态新技术、新产业、新业态、新模式2、企业数字化的趋势传统企业没有信息化、自动化、数字化传统企业+数字化局部场景应用了信息化、自动化、数字化数字化转型企业有数字化战略引领，在主要的业务最大可能的进行了数字化的应用数字原生企业以数字化的原理重构、再造或创建企业，实现数字原生一、数智化时代IE学科发展与企业数字化转型要求3、

系统工程在新时代的地位和作用新形势下系统工程的位置何在？近几年来，“中国制造2025”、工业4.0乃至整个国家的数字化、智能化产业升级与变革搞得热火朝天。

但是，从目前的进展情况看，新技术用了很多，但实际真正落地的情况并不理想。

有人总结说：“低端混战、高端失守”或“局部精细，整体混沌”。为什么呢？原因主要是缺少系统层的科学规划、设计与验证。目前主持这些项目的大多是机械、自动化和计算机等专业，这些专业更加擅长对企业的专业工程领域（比如产品、设备、工艺、专业软件等）的研究与设计，而对于整个企业这种复杂巨系统，受方法论和专业技术的局限，这些工程专业的优势并不突出。一、数智化时代IE学科发展与企业数字化转型要求1、新形势下SE研究范式的变化（1）SE的研究范畴和所依附的专业技术的变化研究范畴要扩展到企业和企业生态系统数字化技术，包括：产品数字化、流程数字化、工厂数字化、资源数字化等，以及由此产生的MBD(ModelBasedDefinition)、MBe、MBM、MBE等。网络、通信与智能技术：5G、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术，由此产生的数字孪生、智能制造等。二、面向数字化企业的新一代IE方法体系MBD研究对象扩展到企业和企业生态系统智能制造的基本景象——数字孪生（2）研究范式是“模型定义+数据驱动”模型定义。

这里的模型是指包括第一性原理的物理模型、数据模型、机理模型和量化优化模型构成的完整的系统模型，所有模型能够在统一环境中兼容和联合作用。所谓模型定义是指，首先应用系统建模技术建立系统模型，然后运用软件技术建立一个“虚拟系统”，经过反复的迭代优化和仿真验证使其达到最佳状态，最后，根据“虚拟系统”的最佳状态需要，来配置和建立真实的物理系统。数据驱动。数字化企业的整个经营过程中会产生大量的产品生命周期数据（包括产品品种与结构、质量、成本、时间、人员、设备、物料、销售和售后服务等）和市场分析与预测、计划与控制、客户与供应商、资产与财务等管理数据。这些数据以及经营过程中出现的各种场景需要运用数据科学和人工智能的方法进行分析，进而形成各种科学决策，以及企业模型的优化重构建议。二、面向数字化企业的新一代IE方法体系（3）数智化企业的技术体系：商业模式的目标驱动；系统建模与数据分析是两大支柱；SE技术体系、IT&OT使能技术是关键内核；管理与专业技术是方法基础；关键交付物是统一的企业模型二、面向数字化企业的新一代IE方法体系2、以基于模型的系统工程MBSE作为统一方法论框架（1）传统基于文档的系统工程场景存在的问题：*系统层无法建立模型，只有系统之下的专业系统（软件、硬件）才能建立模型；*系统层只能用文档来表述，系统中的各种要素及其关系表达不清，易造成不同的理解；*只能到整个工程物理实现后才能验证最初的设计方案是否正确；*出现问题或工程更改无法进行追溯；*系统的“涌现性”无法表达；*不易复用过去的经验模型。二、面向数字化企业的新一代IE方法体系系统工程V模型（2）基于模型的系统工程MBSE（Model-BasedSystemsEngineering）于2007年的

INCOSE

（系统工程国际委员会）国际研讨会上首次提出。它由系统建模语言、系统建模方法和系统建模工具三部分组成，可以对一个复杂系统用多种视图予以描述，并通过需求分析、功能分析、逻辑设计、物理设计的基本方法论，实现对复杂系统内部各个层次和不同层次间各种要素之间的关联以及系统与外部的接口关系等进行详细的规划、设计、迭代优化与仿真验证。区别于基于文档的系统工程，MBSE的模型管理系统的整个规范是一个互联的信息网络，而不是分散在各专业领域、需要专门的人员来管理的无法搜索、导航和应用的文档。二、面向数字化企业的新一代IE方法体系现在：通过文档关联的独立模型将来：可以连接多学科和过程模型并具有多个视图的共享系统模型MBSE支持系统需求、分析、设计、确认和验证活动，这些活动从概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。MBSE适用于真实物理系统、虚拟空间的数字模型、抽象的系统等一切对象系统，并且能够通过模型化的方法，实现对象的统一。在描述系统结构和行为中，通过约束模块和参数图的定义，可以实现对整个系统的仿真和定量化定义与优化；通过数据接口，可以对关键行为或者结构，进行联合仿真来验证系统机理；另外，系统结构可以转化为拓扑关系；行为图比petri更细致；系统要素之间的关系，可以转化为矩阵进行表达和分析；最终可以实现系统模型的数学分析。MBSE统一了物理模型、机理模型和数学模型，是理想的系统方法论。二、面向数字化企业的新一代IE方法体系（3）MBSE的建模语言V2.0目前最主流的系统建模语言是SysML。它由4类9种视图组成。

首先从用户（利益攸关方）的视角定义需求的功能和性能，然后由功能定义一系列行为逻辑（用例图、活动图、序列图、状态机图），再由行为逻辑定义结构（模块定义图、内部模块图、包图），最后根据上述的行为逻辑、结构以及性能要求定义参数图（定义系统约束，用数学模型优化）。如果达不到系统的性能目标（参数指标），则反复迭代，直到满意为止。

二、面向数字化企业的新一代IE方法体系结构性静态视图二、面向数字化企业的新一代IE方法体系行为性动态视图二、面向数字化企业的新一代IE方法体系需求视图二、面向数字化企业的新一代IE方法体系涉众需求与系统派生需求（技术指标）的关联表达利益攸关方对系统功能和性能的需求（涉众需求）（4）MBSE的基本方法论

MBSE不是用SysML建立9种视图就结束了，其建模过程要遵循需求分析、功能分析、逻辑设计、物理设计的基本方法论。MBSE的基本方法论达索的MagicGrid建模方法二、面向数字化企业的新一代IE方法体系系统及层次示意图（IDEF0）（5）MBSE的优势提高设计质量一致